110kV変圧器の中性点接地方式の選定と保護構成の最適化

導入

高電圧電力システムでは、変圧器の中性点接地方式は、システムの安全性、信頼性、安定性に影響を与える重要な要素です。110kV電力システムでは、中性点接地方式の選択が、機器の絶縁レベル、過電圧保護、リレー保護構成、および電源の信頼性に直接影響します。中国では、110kVシステムでは一般的に、 部分的に有効な接地方法変圧器の中性点の一部は直接接地され、他の中性点は接地されないままになっている。これは、単相短絡電流を制限しつつ過電圧の脅威を防ぐことを目的としている。

本稿では、110kV変圧器の中性点接地方式の様々な特徴、利点、限界を分析し、最適な保護構成戦略を探求し、今後の開発動向を提示する。

1. 110kV変圧器の重要な中性点接地方法

1.1 直接接地

直接接地これは、変圧器の中性点を大地に直接接続することを指します。この方式により中性点電位が効果的に固定され、単相地絡事故発生時に非地絡相電圧の上昇が相電圧の1.4倍を超えないことが保証されます。これにより、機器の絶縁要件が緩和され、コスト削減につながります。

しかし、大きな欠点は 非常に高い単相地絡電流（数千アンペアに達することもある）電流は、遮断器の遮断容量や系統の安定性に影響を与える可能性があります。そのため、迅速な故障除去が必要な110kV以上の高電圧系統では、一般的に直接接地方式が採用されています。

1.2 非接地中性線

では 接地されていないシステム変圧器の中性点は大地から絶縁されています。単相地絡が発生した場合、故障電流は非常に小さいため（主にシステムの容量性電流）、システムは短時間（通常は最大2時間）動作を継続できます。これにより、 電源供給の信頼性。

しかし、非接地システムでは、単相地絡故障により非故障相電圧が線間電圧レベルまで上昇する可能性があります。絶縁が弱い場合、これは絶縁破壊につながり、相間短絡故障に発展する可能性があります。さらに、断続的なアーク接地は、 アーク過電圧相電圧の3～3.5倍に達し、変圧器の絶縁に脅威を与える。

1.3 小インピーダンスによる接地

直接接地システムと非接地システムの利点と欠点のバランスを取るために、 インピーダンス接地方式よく使われる方法です。これには、小さな抵抗または小さなリアクタンスを介した接地が含まれます。

• 小抵抗接地故障電流を数百アンペアに制限することで、システムへの影響を軽減しつつ、迅速な保護動作を可能にします。この方式は過電圧を効果的に抑制し、容量性電流が大きいケーブル集約型の配電ネットワークに適しています。
• 小リアクタンス接地：誘導電流によってシステムの容量性電流を相殺し、アーク再点火の可能性を低減します。この方法は、補償接地方式としてよく用いられます。

小インピーダンス接地方式は、直接接地方式と非接地方式の両方の利点を兼ね備えており、過電圧抑制と比較的高い電源信頼性を実現します。特に容量性電流が大きい場合や、高い電力品質が求められる場合など、110kVシステムで広く用いられています。

2. 110kV変圧器の中性点保護構成

2.1 過電圧の脅威

110kV変圧器の中性点の絶縁レベルは通常 半断熱中性点の耐電圧定格は、線路端の耐電圧定格のわずか3分の1しかない。そのため、中性点は過電圧による損傷を受けやすい。主な過電圧の種類は以下のとおりである。

• 電源周波数過電圧: 回線切り替え、非対称短絡、または急激な負荷喪失に起因する。
• 共振過電圧システムの動作中または故障時に、誘導性要素と容量性要素の相互作用によって生じる振動が原因です。
• スイッチング過電圧回路遮断器の開閉時に、磁気エネルギーと静電気エネルギーが変換されることによって生じる現象。
• 雷過電圧落雷によって引き起こされ、振幅が大きく、持続時間が短いのが特徴である。

2.2 一般的な保護装置

変圧器の中性点を保護するために、一般的に以下の保護装置が用いられます。

• サージアレスターこれらは雷過電圧および特定の開閉過電圧を制限します。しかし、標準的な避雷器は110kV変圧器の中性点の低い絶縁レベルには不十分な場合が多く、選定が困難です。
• 隔離ギャップこれらは、商用周波数過電圧および共振過電圧から保護します。過電圧が発生すると、ギャップが破壊され、中性点が接地されて電圧上昇が抑制されます。欠点は、ギャップ距離を正確に調整するのが難しく、保護機能の協調不良につながる可能性があることです。
• サージアレスターとギャップの並列接続これは広く用いられている保護方式です。避雷器は雷過電圧に対応し、ギャップは商用周波数過電圧と共振過電圧に対応します。ギャップはまた、避雷器の故障の原因となる過剰な商用周波数過電圧からも避雷器を保護します。この方式は相補的な利点を提供します。

2.3 リレー保護構成

110kV変圧器の中性点に対するリレー保護は、主に以下の側面を含みます。

• 零相電流保護直接接地された変圧器の場合、零相電流保護は地絡事故を迅速に除去するように構成されています。この保護は通常、複数のセクションに分割されており、故障箇所を特定するための短い時間遅延と、変圧器のすべての側面を遮断するための長い時間遅延が設定されています。
• 零相電圧保護およびギャップ電流保護非接地変圧器の場合、零相電圧保護とギャップ電流保護が設定されます。地絡によってシステムが接地点を失い、中性点電圧が上昇すると、ギャップが破壊されます。ギャップ電流保護または零相電圧保護は、0.3～0.5秒の遅延時間で動作し、変圧器を全方向から遮断します。
• バックアップ保護調整選択性を確保するためには、零相保護の遅延時間を協調させる必要があります。例えば、変圧器のバックアップ保護の遅延時間は、バックアップ対象の送電線保護の遅延時間よりも長くする必要があります。

3．最適化に関する推奨事項と事例分析

3.1 従来の方法の限界

使用中 ギャップと平行に配置されたサージアレスター一般的ではあるが、このアプローチにはいくつかの欠点がある。

• サージアレスターの選定における困難さ110kV変圧器の中性点において、高い連続動作電圧と低い雷インパルス残留電圧の両方の要件を満たす標準的な避雷器を見つけるのは困難である。
• ギャップ設定における課題エアギャップの破壊電圧はばらつきがあるため、「接地喪失」故障状態と「接地あり」故障状態におけるギャップ動作を正確に同期させることは困難です。
• リレー保護の複雑さ「接地喪失」に対する保護（零相過電圧保護やギャップ過電流保護など）が誤動作し、追加の遮断基準が必要になる場合があり、複雑さが増し、信頼性が低下します。

3.2 小リアクタンスによる接地の利点

研究と実践によれば、 小さなリアクタンスを介して中性点を接地する従来の部分接地方法に比べて大きな利点があります。

• 断熱レベル要件の緩和小リアクタンス接地を採用することで、変圧器の中性点の絶縁レベルを35kVから20kVに下げることができ、サージアレスターやギャップが不要になり、保護構成が簡素化されます。
• 統合接地モードこの方法は、孤立した非接地システムの発生を排除し、関連する保護の簡素化または省略を可能にすることで、信頼性を向上させます。
• 利点の維持部分接地方式の利点（シンプルで信頼性の高い零相保護など）を維持しつつ、単相短絡電流を制限します。

3.3 事例研究分析

一例として、110kVのターミナル変電所の改造が挙げられます。元の設計では、 ギャップと並列のサージアレスター中性点保護のため。しかし、小リアクタンス接地を採用することで、変圧器の中性点の絶縁レベル要件が緩和され、保護装置が簡素化され、動作信頼性が向上した。計算によると、接地抵抗によって故障電流を数百アンペアに制限でき、零相保護を容易に協調できることがわかった。

別の事例では、110kV変電所で、入力線路の一時的な単相地絡故障により中性点ギャップ破壊と変圧器トリップが発生した。分析の結果、線路故障は一時的なものであったが、 多数の非同期モーターからのフィードバック負荷側ではアーク放電に必要なエネルギーが供給され、故障が継続した。このことから、モータ負荷（等価電源）が大きい変圧器の場合、設計段階で零相過電流、ギャップ電流、零相電圧保護を含む完全な中性点保護が不可欠であることがわかる。

4．結論と展望

110kV変圧器の中性点接地方式とその保護構成の選択は、システム構造、負荷特性、信頼性要件を考慮する必要がある多面的な作業です。サージアレスターとギャップを組み合わせた従来の部分接地方式が一般的ですが、デバイスの選定と設定の調整に課題があります。 小リアクタンス接地方式これは有望な代替案であり、断熱要件の低減、保護の簡素化、信頼性の向上につながる可能性がある。

今後の開発動向は、以下の分野に重点を置くことになるでしょう。

• 新デバイスの応用: サージアレスターと並列に使用される複合ギャップや制御可能なギャップなどにより、保護の信頼性と精度が向上します。
• デジタル保護技術マイクロコンピュータベースの保護と高度なアルゴリズム（波形識別、高調波解析など）を利用して、地絡保護の感度と信頼性を向上させる。
• 標準化とモジュール化: 設計とメンテナンスを簡素化するために、標準化されたモジュール式のニュートラルポイント保護装置を開発する。

要約すると、110kV変圧器の中性点接地方式と保護構成を最適化することは、電力系統の安全性、信頼性、および経済的な運用を向上させる上で極めて重要です。技術の進歩に伴い、より高度で効率的なソリューションが登場し、広く普及することが期待されます。